JP6389515B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、リードフレーム上に複数の半導体素子が搭載された半導体モジュールに関するものであり、特に、モジュールの小型化に関するものである。
近年、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、パワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子を備えた半導体モジュールは、絶縁性が高く、放熱性のよい半導体パッケージが必要とされている。さらに、このような半導体モジュールは、小型化、高密度実装化が進められている。例えば、複数の端子を一体化して、端子の数を削減することにより、半導体モジュールの小型化を図っているものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１−２５０４９１号公報
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に提示された半導体モジュールは、各ターミナルに素子が実装されていない空間が多く、素子実装率を上げることで、まだまだ小型化の余地がある。さらに、半導体モジュールを小型化することで、リードフレームの歩留まり向上が図れる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、リードフレームの有効利用を図るとともに、モジュールサイズを小型化することが可能な半導体モジュールを得ることを目的とする。
本発明に係る半導体モジュールは、複数ターミナルからなるリードフレーム上に電子部品およびバスバーを半田実装して形成される半導体モジュールであって、リードフレームは、半田実装される部品の周囲の一部に、リードフレーム上での半田の流れ方向を規制できる半田流れ抑制部が形成されており、半田流れ抑制部は、リードフレームの部品実装面に対して、半田実装される部品側に凸となる形状を含んで構成され、凸となる形状は、リードフレームを加工する際に形成されるものである。
また、本発明に係る半導体モジュールは、複数ターミナルからなるリードフレーム上に電子部品およびバスバーを半田実装して形成される半導体モジュールであって、リードフレームは、半田実装される部品の周囲の一部に、リードフレーム上での半田の流れ方向を規制できる半田流れ抑制部が形成されており、半田流れ抑制部は、リードフレームの部品実装面に対して、半田実装される部品側に凹となる形状を含んで構成され、凹となる形状は、リードフレームを半抜き加工する際に形成されるものである。
本発明によれば、リードフレーム上に、凹凸形状、切欠き、または穴による半田流れ抑制部を形成して半田流れ方向を規制することで、実装部品の回転、移動などの位置ズレを抑制することにより、リードフレームの有効利用を図るとともに、モジュールサイズを小型化することが可能な半導体モジュールを得ることができる。
本発明の実施の形態１における半導体モジュールを適用した装置として、車両に装着されたパワーステアリング装置を例として示した全体回路図である。 従来のＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。 本発明の実施の形態１における半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。 本発明の実施の形態１における半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の断面図である。 本発明の実施の形態１における先の図３とは異なる位置に半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。 本発明の実施の形態２における半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。 本発明の実施の形態２における図６とは異なる半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。 本発明の実施の形態３における半導体モジュールを適用した装置として、車両に装着されたパワーステアリング装置を例として示した全体回路図である。 本発明の実施の形態３における半田流れ抑制部を適用した半導体モジュールの半完成状態の透視図である。 本発明の実施の形態４における半田流れ抑制部を適用した半導体モジュールの半完成状態の透視図である。 本発明の実施の形態４における先の図１０とは異なる半田流れ抑制部を適用した半導体モジュールの半完成状態の透視図である。
以下、本発明の半導体モジュールについて、図を参照しながら説明する。なお、各図において同一または相当する部分に付いては、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における半導体モジュールを適用した装置として、車両に装着されたパワーステアリング装置を例として示した全体回路図である。この装置は、モータ１、制御ユニット２から構成され、両部位が一体化されている。
制御ユニット２は、マイクロコンピュータ８とその周辺回路から構成された制御回路部２０と、電源リレー４、およびモータ巻線に電力を供給するインバータを備えたパワー回路部３を含んで構成されている。
制御ユニット２は、バッテリ、車速センサ、トルクセンサの電源、および種々の情報が入力され、マイクロコンピュータ８によりハンドルアシスト量を演算し、プリドライバ９を介してインバータ３へ出力する。また、モータ１の回転を検出する回転センサ７からの信号を伝達する回転センサＩ／Ｆ、モータ１へ供給する電流を測定する電流モニタＩ／Ｆ１０が、マイクロコンピュータに接続されている。
電源部は、バッテリの電力を受けて動作し、ノイズ抑制のためのチョークコイル６、平滑コンデンサ５、さらには電源ラインを接続／遮断するリレー４から構成され、インバ−タ３へ電源を供給している。インバータ３は、モータ１の３相巻線に対応して３組、計６個の上下アームのスイッチング素子１１〜１６を備えている。さらに、モータ１への電力供給を接続、遮断できるリレーの役目をするスイッチング素子１７〜１９が、各相にそれぞれ配置されている。
これらのスイッチング素子（１１〜１６、１７〜１９）は、各巻線に対応して存在しているので、ｕ、ｖ、ｗを付して呼称する。また、各スイッチング素子を制御するための端子Ｇｈ、Ｇｌ、Ｇｍが、それぞれプリドライバ９を介してマイクロコンピュータ８と接続されている。
さらに、上下アームのスイッチング素子１１〜１６の間の電圧モニタ用として、端子Ｍｍが３個あり、電流検出用シャント抵抗２２、２３、２４の上流モニタ端子がある。これらのモニタ値は、電流モニタＩ／Ｆ１０を介して、マイクロコンピュータ８へ伝達される。その他に、モータ１の各相巻線端子Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗも存在している。
インバータ３は、複数のスイッチング素子を内蔵したＵ相半導体モジュール、Ｖ相半導体モジュール、Ｗ相半導体モジュールの３つの半導体モジュールで構成されている。これらの半導体モジュールは、複数のスイッチング素子を内蔵しているため、各部品を接続するサーキット回路も、複数内蔵され、端子の数も多数存在する。また、モータ１へ電力を供給するための電流も大きく、放熱性の向上も図る必要がある。従って、半導体モジュールは、本装置に占める規模、品質、コスト等の面から、重要部品となっている。
次に、半導体モジュールの構造について、図２以降を用いて説明する。特に、以降の説明では、Ｕ相半導体モジュールを用いて、詳細に説明する。まず始めに、従来の半導体モジュールについて、図２を用いて説明する。図２は、従来のＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。
ここで、Ｕ相半導体モジュールは、インバータ３のＵ相を駆動する部品である。そしてこのＵ相半導体モジュールは、Ｕ相上側ＦＥＴ１１、Ｕ相下側ＦＥＴ１２、Ｕ相モータリレーＦＥＴ１７、シャント抵抗２２、およびインナーリード３２が実装されたリードフレーム３１を、封止樹脂によりモールディングした構造となっている。また、Ｖ相半導体モジュール、Ｗ相半導体モジュールも、同じ構造となっている。以下、半導体モジュール内の各部の詳細説明をする。
リードフレーム３１は、銅または鉄系の合金材料を使用し、１枚の金属板材をプレス加工、エッチング加工、またはカット加工することにより製造され、それぞれの部位が互いに重なることなく、張り巡らされている。なお、プレス加工は、量産性が高く、エッチング加工は、納期が短く、カット加工は、低コストであるという利点を有する。
ダイパッド上には、例えば、図２に示すように、半導体チップとしてＵ相ＦＥＴ１１、１２、１７の３個がそれぞれ搭載されている。半導体チップ同士、またはリードフレーム３１同士は、銅または鉄系材料のインナーリード３２で接続されている。そして、このインナーリード３２は、リードフレーム３１の上方を橋渡しする形となっている。さらに、多数の端子であるターミナルが、外部端子３４として、図２中において下方向へ延出されている。
次に、図２に示した半導体モジュールの製造方法を説明する。
（手順１）成形金型のキャビティ内に、半導体素子、電子部品等を実装したリードフレーム３１を載置する。このとき、リードフレーム３１は、金型上にある固定ピンまたは可動ピンにより位置固定される。
（手順２）続いて、成形金型が密閉され、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂がキャビティ内に充填されて封止樹脂３０が形成される。
（手順３）さらに、封止樹脂３０の熟成硬化後、最後にリードフレーム３１の不要な領域をカット、打ち抜きして、半導体モジュールが完成する。
なお、封止樹脂３０で各部位を覆うのではなく、外枠形成し、その中をシリコン樹脂でカバーする構造でもよい。
次に、本発明の主旨である半田流れ抑制部について説明する。本発明の半田流れ抑制部は、リードフレーム上での半田流れ方向を制御（規制）することで、実装部品の回転、移動などの位置ズレを抑制させる技術的特徴を有するものである。図３は、本発明の実施の形態１における半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。また、図４は、本発明の実施の形態１における半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の断面図であり、図３で用いられている半田流れ抑制部を説明するための図である。
図３、図４に示すように、本実施の形態１では、リードフレーム３１に凸形状３６（凹凸形状３６）の半田流れ抑制部が設けられている。図３、図４では、シャント抵抗２２の回転、移動などの位置ズレを抑制させる場合を例示したものである。
一方、図５は、本発明の実施の形態１における半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図であり、先の図３とは異なる位置に半田流れ抑制部である凸形状３６を設けた場合を例示している。図５では、ＦＥＴ１２の位置ずれを抑制するために、ＦＥＴ１２が実装される両側に凸形状３６が設けられている。
このような位置ずれ抑制部をリードフレーム３１に形成しておくことで、位置ずれ抑制部の近傍に実装された部品と、他の実装部品との干渉を防ぐことができる。さらに、図５のようにＦＥＴ１２に対して位置ずれ抑制を行うことで、インナーリード３２の実装ミスやワイヤボンディング３３の断線といった２次的なエラーも抑制することが可能となる。さらに、リードフレーム３１への部品実装位置精度が向上するため、従来よりも高密度でリードフレーム３１上に部品実装することが可能となり、半導体モジュールを小型化することができる。
以上のように、実施の形態１によれば、凸形状を有する位置ずれ抑制部が適切な場所に設けられたリードフレームを使用して部品実装を行っている。このような位置ずれ抑制部を備えることで、位置ずれ抑制部の近傍に実装された部品と、他の実装部品との間で、半田が流れ込むことを効果的に防止することができる。この結果、リードフレーム上の実装部品の搭載位置精度を向上させることができ、高実装化、小型化を実現した半導体モジュールを得ることができる。
さらに、半導体モジュールを小型化できることで、リードフレーム自体もコンパクト化でき、歩留まり向上を図ることができる。さらに、実装精度が高くなることで、製造時の不良品削減にもつながる。
実施の形態２．
先の実施の形態１では、位置ずれ抑制部として、凸形状３６をリードフレーム３１に形成する場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、リードフレーム３１に設ける半田流れ抑制部を、凸形状３６ではない構造で実現する場合について説明する。そこで、このような相違点に伴う変更部分を中心に以下に説明を行い、上述の半導体モジュールと同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。
先の実施の形態１で用いた凸形状３６は、曲げＲが付き、リードフレーム３１上への部品実装可能領域が狭くなってしまっていた。そこで、本実施の形態２では、部品実装可能領域を、先の実施の形態１の場合よりも広くでき、半導体モジュールをより小型化できる半田流れ抑制部について説明する。
図６は、本発明の実施の形態２における半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。また、図７は、本発明の実施の形態２における図６とは異なる半田流れ抑制部を適用したＵ相半導体モジュールの半完成状態の透視図である。
本実施の形態では、半田流れ抑制部として、切欠き３７（図６）、または穴３８（図７）を用いている。さらに、リードフレーム３１の切欠き３７または穴３８の加工バリを、部品実装面側に向けることで、半田流れを抑制している。
このように、本実施の形態２における半田流れ抑制部は、切欠き３７または穴３８として、リードフレーム３１上に形成されている。この結果、先の実施の形態１のように凸形状３６を形成した場合と比較して、リードフレーム３１上の部品実装可能領域を狭めることなく、実装部品の位置ずれ抑制を行うことが可能となる。
なお、半田流れ抑制部としてリードフレーム３１に設ける切欠き３７、または穴３８の幅は、加工精度と信頼性を考慮して決められており、リードフレーム３１の厚み以上とすることが望ましい。
以上のように、実施の形態２によれば、切欠きまたは穴による位置ずれ抑制部が適切な場所に設けられたリードフレームを使用して部品実装を行っている。このような構成を採用することで、先の実施の形態１と比較して、部品実装可能領域を広くすることができる。この結果、リードフレーム上の実装部品の搭載位置精度を向上させることができるとともに、先の実施の形態１よりも、さらに高実装化、小型化を実現した半導体モジュールを得ることができる。
なお、半田流れ抑制部として切欠き３７や穴３８を用いる代わりに、先の実施の形態１で説明した凸形状３６を半抜き工法で加工することによっても、切欠き３７や穴３８を形成した場合と同様の効果を得ることができる。
実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各半導体モジュールで、個別にモジュール化する構造について説明した。これに対して、本実施の形態３では、インバータ３を構成していた３つの半導体モジュールを、１モジュール化する場合について説明する。
図８は、本発明の実施の形態３における半導体モジュールを適用した装置として、車両に装着されたパワーステアリング装置を例として示した全体回路図である。先の実施の形態１における図１と比較すると、本実施の形態３における図８の構成は、インバータ３を構成していた３つの半導体モジュールが１モジュール化される変更に伴い、電流モニタ用のシャント抵抗（２５）の数も、３つから１つに変更されている。
また、図９は、本発明の実施の形態３における半田流れ抑制部を適用した半導体モジュールの半完成状態の透視図であり、図８に対応して、３つの半導体モジュールが１モジュール化されている場合を例示している。そこで、図８、図９を用いて、１モジュール化されている相違点を中心に、以下に説明し、先の実施の形態１、２の半導体モジュールと同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。
本実施の形態３における半導体モジュールは、インバータ３を構成する全ての部品を１モジュール化している。このため、相ごとに個別にモジュール化する場合と比較して、１つのモジュールサイズは、大型化し、さらに、インナーリード３２も大きくなっている。特に、各相間の同電位ターミナルを接続するバスバーに相当するインナーリード３２ａは、他部品に比べ長手方向に寸法が拡大する。このため、リードフレーム３１への実装の際には、部品が回転した時の位置ずれ量が大きくなり、モジュール小型化の障壁となっていた。
そこで、このように大型化するモジュールに使用するリードフレーム３１に、本発明による半田流れ抑制部を適用することで、効果的に位置ずれ抑制を行うことができる。なお、図９では、半田流れ抑制部として切欠き部３７を適用した場合を例示している。このような半田流れ抑制部を備える結果、多くの部品を１モジュール化する場合にも、搭載位置精度の向上に伴って部品間距離を短くすることができ、部品高密度実装の半導体モジュールを作製することが可能となる。
以上のように、実施の形態３によれば、多くの部品を１モジュール化する際に、本発明による位置ずれ抑制部が適切な場所に設けられたリードフレームを使用して部品実装を行っている。この結果、リードフレーム上の実装部品の搭載位置精度を向上させることで、部品間距離を短くすることができ、高実装化、小型化を実現した半導体モジュールを得ることができる。
実施の形態４．
本実施の形態４では、先の実施の形態３の構造に対して、さらなる高実装化を実現するための構造について説明する。図１０は、本発明の実施の形態４における半田流れ抑制部を適用した半導体モジュールの半完成状態の透視図であり、先の図８に対応して、３つの半導体モジュールが１モジュール化されている場合を例示している。
本実施の形態４における半導体モジュールは、先の実施の形態３と同様に、インバータ３を構成する全ての部品を１モジュール化した構造を有している。ただし、先の実施の形態３における図９と比較すると、本実施の形態４における図１０の構成は、インナーリード３２ｂとインナーリード３２ｃが立体交差している点が異なっている。そこで、図１０を用いて、この相違点を中心に、以下に説明し、先の実施の形態１〜３の半導体モジュールと同じ構成部分については、ここでの説明を省略する。
本実施の形態４では、図１０に示すように、異なる電位のバスバーに相当するインナーリード３２ｂとインナーリード３２ｃを、立体交差させた構造としている。このように、本発明の半田流れ抑制部とともに、立体交差構造を併用することで、先の実施の形態３と比較して、半導体モジュールのさらなる小型化を可能にしている。なお、図１０では、半田流れ抑制部として切欠き部３７を適用した場合を例示している。
より具体的には、図１０において、左上から右下へのハッチングで示した第２の縮小可能領域４１の部分を縮小することができ、半導体モジュールの小型化に寄与できることとなる。
次に、図１１は、本発明の実施の形態４における先の図１０とは異なる半田流れ抑制部を適用した半導体モジュールの半完成状態の透視図である。この図１１では、先の図１０の構成に加えて、インナーリード３２ｃが装着されるＵ相下側ＦＥＴ、Ｖ相下側ＦＥＴに対して、さらに、穴３８による半田流れ抑制部が設けられている。
このように、穴３８が形成されることで、ＦＥＴの搭載位置精度を向上させることができ、より確実に、インナーリード３２ｂとインナーリード３２ｃの接触ショートを回避することが可能となる。この結果、多くの部品を１モジュール化する際にも、製品信頼性を確保した上で、半導体モジュールの小型化を実現できる。
以上のように、実施の形態４によれば、多くの部品を１モジュール化する際に、本発明による位置ずれ抑制部が適切な場所に設けられたリードフレームを使用するとともに、立体交差構造を採用して部品実装を行っている。この結果、リードフレーム上の実装部品の搭載位置精度を向上させることで、部品間距離を短くすることができ、高実装化、小型化を実現した半導体モジュールを得ることができる。

Claims (9)

  1. 複数ターミナルからなるリードフレーム上に電子部品およびバスバーを半田実装して形成される半導体モジュールであって、
    前記リードフレームは、半田実装される部品の周囲の一部に、リードフレーム上での半田の流れ方向を規制できる半田流れ抑制部が形成されており、
    前記半田流れ抑制部は、前記リードフレームの部品実装面に対して、半田実装される前記部品側に凸となる形状を含んで構成され、前記凸となる形状は、前記リードフレームを加工する際に形成される
    半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記凸となる形状は、前記リードフレームの厚み以上の幅を有する切欠き、または穴の加工バリを前記部品実装面側に向けることで形成されている
    半導体モジュール。
  3. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記半田流れ抑制部として前記リードフレームに設けられる前記凸となる形状は、半抜き工法で加工することで形成されている
    半導体モジュール。
  4. 複数ターミナルからなるリードフレーム上に電子部品およびバスバーを半田実装して形成される半導体モジュールであって、
    前記リードフレームは、半田実装される部品の周囲の一部に、リードフレーム上での半田の流れ方向を規制できる半田流れ抑制部が形成されており、
    前記半田流れ抑制部は、前記リードフレームの部品実装面に対して、半田実装される前記部品側に凹となる形状を含んで構成され、前記凹となる形状は、前記リードフレームを半抜き加工する際に形成される
    半導体モジュール。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記リードフレームは、同電位のターミナル間を接続するバスバーの半田部近傍の少なくとも一部分に、前記半田流れ抑制部が設けられている
    半導体モジュール。
  6. 請求項１または４に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記リードフレームは、半田実装される電子部品間または前記リードフレームのターミナル間、もしくは前記電子部品と前記ターミナル間を接続するバスバーに関して、異なる電位で立体交差する２組の前記バスバーの半田部近傍に、前記半田流れ抑制部が設けられている
    半導体モジュール。
  7. 請求項１または４に記載の半導体モジュールにおいて、
    ３相以上の多相インバータ装置を駆動する複数のスイッチング素子を備えた半導体がモジュール化される際に、前記多相インバータ装置の相毎で個別に、前記半田流れ抑制部が形成された前記リードフレームを用いてモジュール化されている
    半導体モジュール。
  8. 請求項１または４に記載の半導体モジュールにおいて、
    ３相以上の多相インバータ装置を駆動する複数のスイッチング素子を備えた半導体がモジュール化される際に、前記多相インバータ装置の２相または３相毎に、前記半田流れ抑制部が形成された前記リードフレームを用いてモジュール化されている
    半導体モジュール。
  9. 請求項８に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記半田流れ抑制部は、異相間の同電位のターミナルを接続するバスバーの半田部近傍に設けられている
    半導体モジュール。
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